從大氣中有效獲取清潔水，為日益嚴重的全球水資源和能源短缺提供了一種潛在的可持續解決方案。霧收集作為典型的大氣水收集方案，可實現快速的現場生產，其收集方式多啟發於原始生物適應性進化以應對惡劣環境的生物學特徵。
纖維素是地球上最古老、最豐富的天然高分子，是一種具有強吸濕性的可再生材料。其分子骨架β-D-吡喃葡萄糖環上豐富的羥基為霧收集提供了高效的親水域。然而，連續的親水域會導致表面成核液滴的釘扎，以及凝聚水膜的界面屏蔽。通過化學基團調控和結構設計，巧妙地利用多種仿生原理設計協同的液滴成核和去除機制，將實現纖維素材料在水收集領域的無限潛力。
近日，科研人員啟發於甲蟲鞘翅和仙人掌刺，使用纖維素材料構建了可以實現液滴快速成核和去除的雙重仿生表面。首次揭示並利用了霧滴與收集器之間自發的界面電荷作用，實現了前所未有的高水收集效率（93.18 kg/m2h）。該研究以Bioinspired asymmetric amphiphilic surface for triboelectric enhanced efficient water harvesting為題發表於Nature Communications。
縮刺仙人掌是極少數適合在極度乾旱地區生長的植物之一，除了通過將葉子退化為針以避免水分的蒸發和流失，其針刺還具有主動收集霧，以提供外源水分補充的作用。脊柱尖端及其表面的倒刺提供水霧附着和凝聚的位點，脊柱的徑向非對稱結構提供了拉普拉斯壓，驅動表面液滴向根部運動。此外，納米布沙漠甲蟲（Namib Desert beetle）同樣可以從稀薄的空氣中獲取水分。通過背部鞘翅表面的親水-疏水圖案。親水區捕捉水霧，液滴凝聚增大後轉移至疏水區，疏水區的低表面能使大液滴從鞘翅表面快速去除。受到這兩種生物精緻結構和巧妙機制的啟發，本文設計了一種雙重仿生水霧收集表面。
圖1.纖維素基非對稱兩親性表面的設計。
纖維素的每個葡萄糖單元上有三個羥基，使其具有天然的吸濕性，同時也會導致水汽在其表面的釘扎。為了弱化這種不良影響，通過親核取代接入疏水性的10-十一烯酰氯製得兩親性纖維素酯塗層。
圖2.纖維素基非對稱兩親性表面的物理化學性質。
3.靜電輔助水收集
圖3.靜電輔助水收集的性能。
本文受甲蟲翅鞘和仙人掌刺的啟發設計了一種非對稱兩親性表面，結合自發的界面摩擦電吸附作用，實現了極高的水收集效率（93.18 kg/m2h）。高效的水收集效率主要源於兩親性纖維素酯塗層表面化學親水組分（液滴成核位點）和疏水組分與非對稱結構拉普拉斯壓的協同作用。此外，我們證明了液滴與水收集器表面之間自發的靜電吸附及外加電荷增強的靜電吸附作用。該系統不僅適用於多霧地區，還有望應用於熱電廠、造紙廠冷卻塔的蒸汽回收，同時也為緩解水-能源關係提供了一種通用的解決方案。
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